超富集植物对镍锌的根部选择性吸收和转运机制研究

Our previous research has showed that nickel (Ni) hyperaccumulator Alyssum murale absorbs Ni via zinc (Zn) transport systems in roots. However, this species is unable to hyperaccumulate Zn. The reasons for the Ni/Zn selectivity during the root uptake and transport processes remain obscure. Therefore, this project is dedicated to exploring the related mechanisms by studying 3 plant candidates: Ni and Zn hyperaccumulator Noccaea caerulescens, Ni hyperaccumulator A. murale and Zn hyperaccumulator Arabidopsis halleri. 1) Ni and Zn accumulation in plant organs, and distribution in root apoplast and symplast will be analyzed by tissue separation, as well as SEM-EDX; 2) organic and amino acid concentrations, and Ni and Zn speciation in roots will be analyzed by GC-MS and SE-HPLC-ICPMS; 3) expression of Ni and Zn influx and efflux transporter genes in roots will be analyzed by real-time Q-PCR. The results will clarify how root uptake, metal chelation and comparmentation, and xylem loading could influence the uptake and transport selectivity between Ni and Zn, which could provide a better understanding on multi-metal hyperaccumulation mechanisms, and provide scientific basis for the application of hyperaccumulators in phytoremediation and phytomining.

我们的前期研究表明镍超富集植物Alyssum murale主要通过锌的转运系统吸收镍，然而其并不具备超富集锌的能力。现阶段我们对超富集植物为何会选择性富集镍锌的机制仍然不甚明了。因此，本项目拟以镍锌超富集植物Noccaea caerulescens、镍超富集植物A. murale以及锌超富集植物Arabidopsis halleri为材料：1)采用化学分离以及电镜的方法，探明不同植物根部组织和细胞内部镍/锌的分布差异；2)利用GC-MS、SE-HPLC-ICPMS测定根部有机酸、氨基酸的含量，明确三种植物根部镍/锌的主要赋存形态；3)通过Q-PCR分析根部吸收和外排转运基因表达量，探索三种植物镍锌吸收和外排载体的差异性。本研究将明确根部吸收、络合区室化以及木质部装载等过程对植物选择性富集镍锌的影响，完善植物的重金属超富集机理，从而为多金属复合污染土壤的植物修复提供理论依据。

超富集植物是具有高量吸收重金属并将其转运至地上部富集一类特殊植物的统称。现阶段发现有镍、锌、镉、砷等多种元素的超富集植物。我们的前期研究表明镍超富集植物Alyssum murale主要通过锌的转运系统吸收镍，然而其并不具备超富集锌的能力。现阶段我们对超富集植物为何会选择性富集镍锌的机制仍然不甚明了。因此，本项目以镍锌超富集植物Noccaea caerulescens和镍超富集植物A. murale为研究材料，开展了镍锌的浓度梯度培养实验、镍锌铁钴等元素的添加实验，以及根部吸收转运载体基因表达实验，分析了根部吸收及木质部装载过程中植物对镍锌的吸收转运能力、镍锌及其他元素的相互作用关系，以及潜在的镍锌吸收转运载体。相关结果显示镍锌超富集植物N. caerulescens对锌的吸收能力远超过镍；加锌加钴均会显著抑制镍的吸收，缺锌缺铁则会促进镍的吸收；此外，镍和锌的加入会刺激锌转运载体基因ZIP10和铁转运子IRT1的表达；在根部-地上部的转运过程中，其中缺锌和缺铁处理均可提高植物体内镍向地上部的转运；这些结果表明N. caerulescens同时存在锌的高低亲和力的吸收系统，而镍可能通过锌铁的低亲和力吸收系统进入植物体内，并通过锌和铁的转运系统向地上部运输。对镍超富集植物A. murale的研究则显示植物同时拥有较强的镍锌吸收能力；但是加锌、加钴及缺铁均会大幅抑制镍的吸收，缺锌则会一定程度增加镍的吸收；加锌可以抑制镍的转运，但加钴和缺锌处理则对镍的转运无影响，缺铁处理反而会促进镍向地上部的运输。这些结果表明A. murale主要通过低亲和力转运载体吸收镍锌，其相关载体基因的表达在缺锌的情况下较为明显；而镍在植物体内的转运则可能与铁有关。综合来看，超富集植物可能并没有镍的专性吸收转运系统，其主要可能通过锌铁的低亲和力载体吸收并转运。造成植物选择性富集镍锌的主要原因与其根部-地上部的转运能力差异有关。本项目的研究明确了超富集植物选择性富集镍锌的机制，完善了植物的重金属超富集机理，从而为多金属复合污染土壤的植物修复提供理论依据。